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重金属离子检测的新突破：一步法图案化比色传感器阵列

原创

来源：曹璐璐

2025-04-29 15:55:34

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核心提示：本文将介绍一种基于一步法图案化的比色传感器阵列，用于高效检测重金属离子的研究成果。

引言

随着工业化和化石燃料依赖的加剧，有害气体如二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）和一氧化碳（CO）的排放量急剧增加，导致空气质量恶化，对人类健康构成严重威胁。传统的气体传感器主要关注瞬态气体检测，但对于累积气体暴露的危害却缺乏有效的监测手段。本文将介绍一种新型的光电切换双模态神经形态传感器，该传感器基于单壁碳纳米管（SWCNT）薄膜晶体管（TFT），能够在瞬态和累积气体检测之间无缝切换，提供高效、紧凑的分析方案，适用于短期高浓度和长期低浓度NO₂气体暴露的监测。

瞬态检测模式：实时高灵敏度监测

瞬态检测模式主要用于实时监测瞬时高浓度气体的流入。在这种模式下，传感器通过高灵敏度特性实现即时气体检测，并利用紫外线（UV）照射实现自发恢复。具体来说，当NO₂气体分子吸附在碳纳米管表面时，会产生更多的空穴载流子，导致电流增加。通过施加负栅极偏压（VGS < VTh）并持续UV照射（CUV），传感器能够在短时间内迅速响应气体流入，并在气体停止流入后立即恢复到初始状态。这一特性使得瞬态检测模式非常适合用于检测瞬时高浓度NO₂气体的暴露风险。

累积检测模式：记忆型长期监测

累积检测模式则专注于监测长时间内低浓度气体的累积暴露。在这种模式下，传感器通过正栅极偏压（VGS > VTh）和无UV照射的方式工作，表现出较低的灵敏度和较慢的恢复速度。这种模式下，NO₂气体分子会在碳纳米管表面逐渐积累，导致电流逐步增加，形成类似记忆的行为。即使在气体停止流入后，电流变化仍能维持一段时间，从而有效地记录了气体暴露的历史。这种特性使得累积检测模式非常适合用于评估长期低浓度NO₂气体的累积暴露风险，如慢性呼吸道疾病和心血管疾病的风险评估。

双模态切换机制

该传感器的独特之处在于其能够在瞬态检测模式和累积检测模式之间无缝切换。通过调节栅极偏压和UV照射条件，可以精确控制传感器的灵敏度和恢复行为。具体而言，瞬态检测模式通过施加负栅极偏压和持续UV照射实现，而累积检测模式则通过施加正栅极偏压和无UV照射实现。此外，通过引入脉冲UV（PUV）照射，还可以实现累积检测模式下的自恢复功能，进一步增强了传感器的实用性和可靠性。

实验验证与应用前景

为了验证该传感器的性能，研究人员进行了多项实验。结果显示，瞬态检测模式下，传感器能够迅速响应高浓度NO₂气体的流入，并在短时间内恢复到初始状态；而在累积检测模式下，传感器能够有效记录低浓度NO₂气体的累积暴露历史，并在气体停止流入后维持较长的记忆时间。此外，通过引入PUV照射，传感器能够在累积检测模式下实现自恢复，进一步提升了其实际应用价值。

实际应用场景

该传感器的应用前景广阔，尤其适合用于环境监测和个人健康防护领域。例如，在工业环境中，它可以实时监测高浓度NO₂气体的瞬时暴露风险，帮助工人及时采取防护措施；而在家庭和公共场所，它可以长期监测低浓度NO₂气体的累积暴露风险，为居民提供健康预警。此外，该传感器还可以集成到便携式设备中，实现随时随地的气体监测，极大地提高了人们的生活质量和健康保障。

结论

本文介绍了一种基于单壁碳纳米管薄膜晶体管的光电切换双模态神经形态传感器，该传感器能够在瞬态检测模式和累积检测模式之间无缝切换，实现了对瞬时高浓度和长期低浓度NO₂气体的高效监测。通过调节栅极偏压和UV照射条件，可以精确控制传感器的灵敏度和恢复行为，使其在不同应用场景中发挥重要作用。未来，该传感器有望广泛应用于环境监测、个人健康防护等领域，为改善空气质量、保障公众健康作出重要贡献。